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Para conocer las propiedades de los materiales se someten a multitud de ensayos, los cuales, se pueden clasificar por las siguientes condiciones:

1. SEGÚN LA RIGUROSIDAD DEL ENSAYO: • •

Ensayos Científicos.- Obtienen valores precisos y reproducibles de las propiedades ensayadas. Ejemplo: Ensayo de tracción. Ensayos Tecnológicos o Técnicos de Control .- Pretenden comprobar si las propiedades del material son adecuadas para una aplicación concreta en un proceso productivo. Ejemplo: Ensayo de flexión del calzado observar si se produce deformación

2. SEGÚN LA NATURALEZA DEL ENSAYO: • • •

• © J. Garrigós

Ensayos Químicos.- Permiten conocer la composición cualitativa y cuantitativa del material, sus enlaces químicos y el comportamiento a agentes químicos Ensayos Metalográficos.- Permiten el estudio de la estructura interna del material y determinar tratamientos térmicos y mecánicos sufridos. Ensayos Físicos.- Permiten determinar propiedades físicas como densidad, punto de fusión, calor específico, conductividad térmica, eléctrica etc.., además de las imperfecciones internas externas e internas. Ensayos Mecánicos.-Determinan la resistencia del material cuando se somete a esfuerzos. Ejemplos: Tracción, Dureza, Choque, Fatiga, Resiliencia, etc..

3.

SEGÚN LA UTILIDAD POSTERIOR DE LA PIEZA TRAS EL ENSAYO • •

Ensayos destructivos.- La pieza ensayada queda inservible tras el ensayo. Ejemplo: Ensayo de Tracción, Fatiga, …. Ensayos no destructivos.- En ellos se analizan los defectos, estructura cristalina, imperfecciones del material, composición, etc., pero sin dañar su estrucutura. Ejemplos: Rayos X, Ultrasonidos,…..

4.- SEGÚN LA VELOCIDAD DE APLICACIÓN DE LAS FUERZAS •

Ensayos Estáticos.- La velocidad de aplicación de las fuerzas no influye en el resultado. En algunos de ellos, como el de tracción, la velocidad de aplicación se mantiene por debajo de un cierto límite.

•

Ensayos Dinámicos.- En los que la fuerza juega un papel decisivo en el ensayo. Ejemplo: Ensayo de flexión por choque

© J. Garrigós

Cuando un material es sometido a una tensión se produce una deformación del mismo.

Si al cesar la fuerza a que se somete al material, este recupera su dimensiones originales se dice que ha sufrido una deformación elástica. Si el material se somete a una deformación hasta el punto de que no puede recuperar sus medidas originales se dice que ha sufrido una deformación plástica

© J. Garrigós

© J. Garrigós

Dada una varilla de longitud Lo y sección So0 sometida a una fuerza de tracción sobre su eje longitudinal F. Se define tensión σ como el cociente entre la fuerza aplicada y el área de la sección transversal de la varilla. Se mide en N/m2 (Pascal)

F F o σ= σ= So Ao © J. Garrigós

Cuando se aplica a una varilla una fuerza de tracción sobre su eje longitudinal, se provoca un alargamiento en dirección a la fuerza. Este alargamiento unitario recibe el nombre de deformación, que se define como el cociente entre la diferencia de longitud experimentada por la varilla y la longitud inicial considerada. Es adimensional

L − Lo ∆L = ε= Lo Lo

ε% =

∆L * 100 Lo

Ley de Hooke En la zona de comportamiento elástico de los materiales, las deformaciones producidas por un elemento resistente son proporcionales a las tensiones aplicadas.

σ = E = tag α ε

E = Módulo de Young ( cte para cada material )

E se expresa en kp/cm2, kp/mm2 o N/m2 como σ, dado que ε es adimensional. Matemáticamente:

σ  E=  ε 

F * lo F σ = E= So * ∆l S0  ∆l  ε=  lo  © J. Garrigós

Cuando las barras trabajan sometidas a esfuerzos trabajan verticalmente, hay que considerar el peso del propio cuerpo, ya que la magnitud de este puede ser comparable a la propia carga

σ = Tensión por unidad de superficie γ = Peso por unidad de volumen (Peso específico) F So * γ * lo F + So * γ * lo σ max = + = So

So

So

dδ δ ∆l ; ε = = lo lo dx σ max F F + So * γ * x ε = = ⇒ ε = E * So E So * E

ε =

dδ F + So * γ * x ; = dx E * So

© J. Garrigós

δ

l

0

0

∫ dδ = ∫

F + So * γ * x dx E * So

TENSIONES Y DEFORMACIONES AL CONSIDERAR DEL PESO DEL PROPIO ELEMENTO RESISTENTE 2 1 δ = E * So

l

∫ ( F + So * γ * x ) dx = 0

l  F dx +  0

 So * γ * x * dx  =  0  l 2     1 So * γ * x F * l +   = =    2 E * So  0     1 So * γ * l 2  = F * l + = 2 E * So  

1 δ = E * So

∫

l

∫

F *l So * γ * l 2 ; = + E * So E * So * 2

© J. Garrigós

F *l γ *l2 + δ = 2* E E * So

Consiste en someter a una probeta normalizada en forma y dimensiones a unas fuerzas de tracción en dirección a su eje longitudinal hasta romperla. Durante el ensayo se mide el alargamiento ΔL que experimenta la probeta al es estar sometida a una fuerza de tracción. Hay dos tipos de probetas normalizadas: Cilíndricas y prismáticas o planas.

© J. Garrigós

PROBETAS DE ENSAYO

MÁQUINA DE ENSAYO DE TRACCIÓN

http://www.youtube.com/watch?v=2u9TNdcAhw Y&feature=player_embedded © J. Garrigós

El ensayo de tracción compara la fuerza de tracción aplicada al material con el alargamiento, pero para evitar que el resultado del ensayo dependa de las dimensiones de la probeta, y que los datos obtenidos puedan asociarse a probetas de distintos tamaños, se representa un diagrama donde se compara la tensión con la deformación.

Zona elástica (OE). Al cesar las tensiones el material recupera su longitud inicial. Zona plástica (EU). Superado el límite elástico, el material ya no recupera su longitud original (Alargamientos permanentes) Si el ensayo se detiene en el punto A, la probeta recupera la deformación elástica εe quedando una deformación remanente o plástica εp DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

σ= © J. Garrigós

F So

∆l ε= lo

Si se reinicia el ensayo, la nueva curva coincide con la curva de descarga, haciéndose mayor la zona elástica (endurecimiento por deformación)

En la Zona elástica (OE), se distinguen: Zona de proporcionalidad (OP) alargamientos son proporcionales esfuerzos (Ley de Hooke)

. Los a los

σ = E *ε

E = Módulo de elasticidad o de Young en N/m2

DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

σ=

F So

ε=

∆l lo

• Zona de no proporcionalidad (PE) .- Las deformaciones no son permanentes (la probeta recupera su longitud inicial al cesar la tensión), pero no existe una relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación.

En la Zona plástica (EU), se distinguen: 1. U

DIAGRAMA TENSION-DEFORMACION

σ=

F So

ε=

∆l lo

1.

Zona límite de rotura (ER) (de deformación plástica uniforme). Pequeñas variaciones de tensión provocan grandes alargamientos. Las deformaciones son permanentes. El punto R se denomina límite de rotura y la tensión aplicada en dicho punto tensión de rotura.

Fmax σR = S0

Zona de rotura (RS) (zona de estricción o de deformación plástica localizada).- A partir del punto R, aunque se mantenga constante o baje ligeramente la tensión aplicada, el material continua alargándose (fluencia) hasta producirse la rotura física

Diagrama de tracción del acero.

El punto donde comienza el fenómeno de fluencia se llama límite de fluencia y a la tensión aplicada en dicho punto tensión de fluencia σF

Límite de proporcionalidad: σP Límite de elasticidad: σE Limite de fluencia: σF Tensión de rotura:σR Tensión última: σU

http://www.youtube.com/watch?v=ktAi5jiyvPg&feature=player_embedded

© J. Garrigós

DIAGRAMA DE ESFUERZOS-DEFORMACIONES O DIAGRAMA DE TRACCIÓN DE DISTINTOS TIPOS DE MATERIALES

© J. Garrigós

σu

© J. Garrigós

Tensión última

•U

DIAGRAMA DE ESFUERZOSDEFORMACIONES O DIAGRAMA DE TRACCIÓN

Tensión límite de proporcionalidad (σp).- Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser proporcionales a las tensiones Tensión límite de elasticidad (σE).- Tensión a partir de la cual las deformaciones dejan de ser elásticas y el material no recupera su longitud inicial al cesar la tensión. Límite elástico convencional o Límite de deformación permanente (σr -0,2%).- Es la tensión que después de actuar durante 10 segundos, produce una deformación permanente de 0,2% de la longitud inicial. Tensión límite de fluencia (σF).- Tensión en la cual el material se deforma rápidamente aún permaneciendo constante la tensión ( σ), o incluso bajando el valor de esta última. Tensión de rotura (σR).- Es la tensión máxima que soporta la probeta durante el ensayo σR=Fmax/So Tensión última (σU).- Es la tensión que soporta la probeta en el momento de la rotura. © J. Garrigós

Alargamiento de rotura (A).- Es el mayor alargamiento plástico alcanzado por la probeta en el ensayo de tracción. LF = Longitud de la probeta después del ensayo, medida al acoplar las dos partes en que queda dividida L − Lo

A% =

F

Lo

* 100

Estricción y rotura (Z).- Una vez que se ha alcanzado el punto R de máxima resistencia , si el esfuerzo continúa creciendo, se produce en la parte central de la probeta una contracción muy acentuada, que se denomina estricción. A partir de ese momento, conforme la estricción aumenta, el esfuerzo total disminuye y la rotura de la probeta tiene lugar para un esfuerzo (Fu) inferior al máximo soportado.

So − SU Z% = * 100 So

Siendo Su = La sección de la probeta después de la rotura. En el caso de probetas rectangulares : Su=a’*b’ © J. Garrigós

Trabajo de deformación.- Es el trabajo que hay que desarrollar para conseguir la rotura de la probeta. Este concepto, también se puede interpretar como la capacidad que tiene un material de absorber un trabajo, el cual puede ser útil, por ejemplo, para conocer el comportamiento de las piezas de un vehículo en caso de colisión. Viene dado por la expresión indicada, y representa el área bajo la curva Fuerza- Alargamiento

∫

Wd = F * dL

Límite de pérdida de proporcionalidad (σp 0,2%).- Es el valor de la tensión cuando se provoca una deformación no proporcional del 0,2 %

© J. Garrigós

Curva de tracción verdadera 1 Para el cálculo de la tensión (tensión aparente) aplicada a la probeta durante el ensayo de tracción se emplea la expresión:

σ=

F So

Siendo F la fuerza aplicada y So la sección inicial Sin embargo, a medida que transcurre el ensayo la sección de la probeta va disminuyendo paulatinamente y, por tanto, la tensión que realmente soporta , llamada tensión verdadera es:

F σV = S

Siendo S la sección en cada instante, la cual alcanza su valor mínimo en la zona de estricción . Curva 1: Curva de tracción aparente Curva 2: Curva de tracción verdadera © J. Garrigós

Curva de tracción verdadera 2 La deformación, denominada deformación aparente; sufrida por la probeta durante el ensayo se utiliza la expresión

ε=

∆L Lo

∆L = Incremento de longitud ; Lo = Longitud inicial

Ahora bien, mientras se produce el ensayo la longitud de la probeta se va incrementando y por tanto la deformación se deberá medir respecto a la longitud que presenta en cada instante y no frente a la longitud inicial De este modo, la deformación verdadera vendrá dada por la expresión:

∆ L dδ = εV = L dL

L= Longitud de la probeta en cada momento Curva 3: Representa las magnitudes σ -εv Curva 4: Representa las magnitudes σv -εv

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La dureza es la resistencia que ofrece un material a ser rayado o penetrado por otro.

ENSAYOS DE DUREZA AL RAYADO

ESCAL A MOHS

DUREZA MARTENS Consiste en rayar con un cono de diamante la superficie del material cuya dureza se quiere medir. La dureza de rayado Martens es inversa a la anchura de la raya obtenida. A mayor anchura menos dureza

© J. Garrigós

ENSAYOS DE DUREZA A LA PENETRACIÓN Para determinar la dureza a la penetración de un material se emplea un pequeño penetrador que se presiona sobre la superficie del material a ensayar en condiciones normalizadas de carga y velocidad de aplicación de la misma. En los ensayos se mide la profundidad o tamaño de la huella resultante, obteniéndose un significado relativo que hay que comparar con durezas patrón.

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Ensayo de dureza Brinell (HB) (UNE 7-422-85)

Consiste en comprimir una bola de acero templado, de un diámetro determinado contra el material a ensayar, por medio de una fuerza (F) durante un tiempo determinado. F donde : S HB = Dureza Brinell F = Carga aplicada en kgf (kp) HB =

S = Área del casquete (mm 2 ) S = π * D* f

Observando la imagen hayamos, aplicando Pitágoras: 2

2

 D d   D    −  =  − f   2   2  2  d2 2 f − Df + =0 4 D ± D2 − d 2 f = 2 © J. Garrigós

2

Ensayo de dureza Brinell (HB) (UNE 7-422-85) Condiciones para el ensayo Brinell: La dureza Brinell se denomina HB….. Ejplo. HB322 No se puede hacer el ensayo a menos de 10 mm del borde de la pieza. Los tiempos de aplicación varían entre 15 s en materiales blandos hasta 30 minutos en aceros. Se recomiendan, para ensayos con bolas de 10 mm de diámetro cargas de: 3000 kp para hierros y aceros, 1000 kp para aleaciones de Fe y Al y 500 kp para metales y aleaciones blandos El diámetro de la huella debe cumplir la regla: D/4 < d < D/2 La relación entre la carga aplicada y el diámetro de la bola al cuadrado se denomina constante de ensayo F/D2=K y se deben adoptar unas constantes de : • K=30 para Hierros y Aceros • K= 10 Cobre, Bronces y Latones • K=5 para Aleaciones ligeras • K=2,5 para Estaño y Plomo © J. Garrigós

Se utiliza como penetrador una punta piramidal de diamante de base cuadrangular y ángulo en el vértice entre caras de 136º . Viene definido por: l*h  = 2* l * h S=4  l l2 2 F  S = 2 * l * h = 2 * l * 2 * sen 68º = sen 68º l l/2 :  ; h = HV = S donde sen 68º = h 2 * sen 68º  HV = Grado de dureza Vickers d 2  aplicada al penetrador (kg) 2 2 2 2 2F = Fuerza d = l + l = 2* l ; l =  2 S = Superficie de la huella (mm 2 )  d2 l2 de ahí : S= S = sen sen 68º 2 * 68 º   F HV =  S  F F F = = HV = sen 2 * 68 º* 1 , 8543 * d2 d d F donde : HV = S 2 * sen 68º HV = Grado de dureza Vickers F = Fuerza aplicada al penetrador (kg)

© J. Garrigós

S = Superficie de la huella (mm 2 )

Frente al Brinell presenta la ventaja de poderse utilizar en materiales duros o blandos y con espesores de pieza muy pequeños(hasta 0,05 mm) Se utilizan cargas entre 1 y 120 kg. Usualmente se emplean 30 kg El espesor de la probeta a de ser mayor s>1,2*d. Recomendado s>1,5*d Temperatura de ensayo 23ºC ± 5ºC La nomenclatura utilizada utiliza la cifra obtenida seguida del símbolo HV y de la carga empleada. Ejemplo 650 HV 30

© J. Garrigós

Ensayo de dureza Rockwell UNE 7-424-89 El método Rockwell mide la profundidad permanente producida al actuar una determinada carga sobre un penetrador de diamante de forma cónica con la punta esférica (para materiales duros) o sobre un penetrador de acero en forma esférica (para materiales blandos). Se basa en la resistencia que oponen los materiales a ser penetrados, se determina la dureza en función de la profundidad de la huella.

© J. Garrigós

Ensayo de dureza Rockwell UNE 7-424-89 REALIZACIÓN DEL ENSAYO 1. Se aplica una carga de 10 kg al penetrador (cono o bola) que provoca una pequeña huella de profundidad h1, que se toma como referencia, colocando el comparador de la máquina a cero. 2. A continuación se hace actuar la máquina con unas cargas adicionales de 140 kgf para el cono y 90 kgf para la esfera, durante un tiempo de 3 a 6 segundos, tras el cual el penetrador retrocede dejando una huella h1 +e.=h2 3. La dureza Rockwell se expresa por el valor de diferencia respecto a un número de referencia (100 para el cono y 130 para la esfera). De este modo, se dice: Para el penetrador de cono la dureza Rockwell HRC = 100 – e Para el penetrador de bola la dureza Rockwell HRB = 130 –e La escala “e” tiene una longitud de 0,2 mm y esta graduada en unidades de 2 micrometros © J. Garrigós

TENACIDAD La tenacidad (propiedad inversa a la fragilidad) se define como la capacidad que tiene un material para almacenar energía en forma, por lo general, de deformación plástica antes de romperse. Un material muy tenaz se deforma mucho antes de la rotura, en tanto que, un material muy frágil o poco tenaz apenas experimenta deformación antes de la rotura. Los ensayos de resistencia al impacto pueden ser:

 Tracción por choque.  Flexión por choque. Consiste en realizar un ensayo de tracción con una velocidad de aplicación alta. De este modo el área del diagrama F-ΔL representa el trabajo necesario para romper a tracción el material. Este trabajo divido entre el volumen de la probeta nos da una referencia de su tenacidad © J. Garrigós

Ensayo de flexión por choque Entre los ensayos de flexión por choque, el mas utilizado es el ensayo de resiliencia (UNE 7-475-92) Consiste en golpear y romper una probeta de determinadas dimensiones y calcular el valor de la energía absorbida.

Péndulo de Charpy © J. Garrigós

Ensayo de resiliencia. UNE 7-475-92 La energía absorbida por la ruptura se llama resiliencia y su unidad en el sistema internacional es el J/m2 Ep ( KCV o KCU ) S Ep = m * g * ( H − h) m = Masa del martillo en kg

ρ=

g = Gravedad terrestre = 9,81 m/s 2 H = Altura desde la que cae el martillo en m h =Altura que alcanza el martillo después de romper la probeta en m

ρ = Resiliencia en J/m 2 S = Sección de la probeta en la parte de la entalladura en m 2

Las probetas del ensayo se encuentran normalizadas y suelen tener 55 mm de longitud con una sección cuadrada de 10 mm de lado. En el punto medio se encuentra la entalla que puede ser en U o en V. * En la entalla en V el ángulo es de 45º y la profundidad de corte 2mm. • En la entalla en U, la profundidad es de 5 mm y su ancho de 2 mm © J. Garrigós

Ensayo de resiliencia. UNE 7-475-92 La resiliencia también puede obtener por la expresión:

ρ=

W P * L * (cos α 2 − cos α 1 ) = S0 So

ρ =Re siliencia J / m 2 So = Área de la probeta por su entalla ( S = 80mm 2 ) P= Peso del péndulo = m * g L= Longitud del péndulo

En muchos materiales existe un intervalo de temperaturas, conocido como zona de transición, en el que al disminuir la temperatura se produce una disminución considerable de la resiliencia. El conocimiento de la zona de transición es muy importante para las condiciones de trabajo del material © J. Garrigós

Ensayo de resiliencia. Demostración fórmula:

ρ=

W P * L * (cos α 2 − cos α 1 ) = S0 So

W E P 1 − E P 2 m * g * H 1 − m * g * H 2 m * g ( H 1 − H 2) P * ( H 1 − H 2) ρ= = = = = S0 So So So So H 1 = Z + y1 = Z + L * sen ϕ   H 1 = Z − L cos ϕ 1 cos(ϕ + 90) = − sen ϕ = cos ϕ 1 H 2 = Z − y 2 = Z − L cos ϕ 2 P ( H 1 − H 2) P * ( Z − L * cos ϕ 1 − ( Z − L * cos ϕ 2)) ρ= = = So So P * ( Z − L * cos ϕ 1 − Z + L * cos ϕ 2 ) P * L * (cos ϕ 2 − cos ϕ 1 ρ= = So So © J. Garrigós

)

Concepto y ensayo de fatiga La mayor parte de los órganos de las máquinas, estructuras metálicas, etc.., están sometidas a la acción de esfuerzos variables que se repiten con cierta frecuencia. Se ha comprobado experimentalmente que es posible producir la rotura de un material, con cargas variable, inferiores a la de rotura por tracción, e incluso al límite elástico, siempre que actúen durante un tiempo suficiente. A este fenómeno se le conoce con el nombre de fatiga ENSAYO DE FLEXIÓN ROTATIVA

© J. Garrigós

El proceso de rotura por fatiga se desarrolla a partir del inicio de la grieta y se continúa con su propagación y la rotura final

Concepto y ensayo de fatiga ENSAYO DE FATIGA: DIAGRAMA DE WÖHLER Los primeros ensayos de fatiga los inicio Whöler en 1852 para conocer las causas de los ejes de los ferrocarriles bávaros, y enunció las siguientes leyes: 1.- Las piezas metálicas pueden romperse bajo esfuerzo unitarios inferiores a la carga de rotura, e incluso a su límite elástico, si el esfuerzo se repite suficiente número de veces. 2.- La rotura de un material no tiene lugar por fatiga, sea cual sea el número de solicitudes, si la diferencia entre el esfuerzo máximo y el mínimo es inferior a un valor límite denominado límite de fatiga , el cual es función del esfuerzo medio a que se ha sometido al material. En el diagrama se observa, que a medida que sube la tensión o esfuerzo a que se somete al material el numero de ciclos que soporta antes de la rotura en menor. Como es normal, cada material tiene propia curva de fatiga. En los aceros y aleaciones de titanio existe un valor de Δσ por debajo del cual no rompen por fatiga y suele oscilar entre 0,4 y 0,5 su carga de rotura. Los materiales de hierro no presentan este límite y de ahí que se especifique el dato de la amplitud de la tensión que no provoca rotura por fatiga par 10 o 100 millones de ciclos © J. Garrigós

ENSAYOS TECNOLÓGICOS No pretenden obtener valores cuantitativos numéricos, sino únicamente estudiar el comportamiento de un material ante un fin al que se destina Leer preguntas 6 y 7 en el libro

• Estudia material.

la

plasticidad

del

• La zona más crítica es la parte exterior de la curva dado que los esfuerzos de tracción son más elevados • El ensayo puede ser en frío o en caliente © J. Garrigós

• Consiste en empujar un vástago sobre una chapa hasta que aparece la primera grieta. • El grado de embutición se comprueba midiendo la penetración en mm del punzón o vástago hasta que aparece la primera grieta.

La verificación de materiales por ultrasonidos utiliza la propagación del sonido, tanto en sólidos Como en líquidos, para realizar un control no destructivo de cualquier material que sea susceptible de ser atravesado por estos. Las ondas sonoras son fenómenos vibratorios que se transmiten a través de un medio elástico pero no en el vacío. Los ultrasonidos tienen frecuencia superiores a los 20.000 Hz λ = Longitud de propagación en m

c λ= f

c = Velocidad de propagación del sonido en m/s f = Frecuencia en Hz

El control de una pieza puede realizarse: 1. Midiendo el tiempo recorrido por el ultrasonido en recorrer la pieza examen (no es muy usual) 2. Midiendo la intensidad ultrasónica del haz saliente de la pieza (normalmente empleado) a. Por transmisión. b. Por Reflexión c. Método de impulso-eco (El más usual) © J. Garrigós